Name: electrophoretic crystallization of ultrathin high-performance metal-organic framework membranes
Uploaded: 2018-08-16T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Electrophoretic Crystallization of Ultrathin High-performance Metal-organic Framework Membranes at JoVE.com

Riconosciamo il nostro Istituto di appartenenza, il École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), per il suo generoso sostegno. Questo progetto ha ricevuto un finanziamento dell'Unione europea Horizon 2020 ricerca e programma di innovazione sotto il Marie Skłodowska-Curie di sovvenzione n. 665667. Gli autori ringraziano Pascal Alexander Schouwink per il suo aiuto con XRD.

Attenzione: Leggere attentamente le schede di sicurezza (MSDS) delle sostanze chimiche coinvolte. Alcuni dei prodotti chimici usati nell'esperimento sono tossici. Il presente metodo coinvolge la sintesi di nanoparticelle. Di conseguenza, prendere le opportune precauzioni. La procedura di sintesi intero deve essere eseguita in una cappa ben ventilata.
Nota: I dettagli degli strumenti, le sostanze chimiche e i materiali coinvolti nella sintesi dei film MOF sono elencati nella tabella 1</...

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	<li>Knebel, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Defibrillation+of+soft+porous+metal-organic+frameworks+with+electric+fields.">Defibrillation of soft porous metal-organic frameworks with electric fields.</a> Science. 358, 347-351 (2017).</li><li>Brown, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interfacial+microfluidic+processing+of+metal-organic+framework+hollow+fiber+membranes.">Interfacial microfluidic processing of metal-organic framework hollow fiber membranes.</a> Science. 345, 72-75 (2014).</li><li>Dzubak, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ab+initio+carbon+capture+in+open-site+metal-organic+frameworks.">Ab initio carbon capture in open-site metal-organic frameworks.</a> Nature Chemistry. 4, 810-816 (2012).</li><li>Gascon, J., Kapteijn, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal-organic+framework+membranes-high+potential,+bright+future.">Metal-organic framework membranes-high potential, bright future.</a> Angewandte Chemie International Edition. 49, 1530-1532 (2010).</li><li>Liu, X., Wang, C., Wang, B., Li, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+Organic-Dehydration+Membranes+Prepared+from+Zirconium+Metal-Organic+Frameworks.">Novel Organic-Dehydration Membranes Prepared from Zirconium Metal-Organic Frameworks.</a> Advanced Functional Materials. 27, 1-6 (2017).</li><li>Zhang, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+selective+NH2-MIL-53(Al)+MOF+membranes+with+high+permeability.">Hydrogen selective NH2-MIL-53(Al) MOF membranes with high permeability.</a> Advanced Functional Materials. 22, 3583-3590 (2012).</li><li>Kwon, H. T., Jeong, H. -. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+synthesis+of+thin+zeolitic-imidazolate+framework+ZIF-8+membranes+exhibiting+exceptionally+high+propylene/propane+separation.">In situ synthesis of thin zeolitic-imidazolate framework ZIF-8 membranes exhibiting exceptionally high propylene/propane separation.</a> Journal of the American Chemical Society. 135, 10763-10768 (2013).</li><li>Hou, J., Sutrisna, P. D., Zhang, Y., Chen, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+ultrathin,+continuous+metal-organic+framework+membranes+on+flexible+polymer+substrates.">Formation of ultrathin, continuous metal-organic framework membranes on flexible polymer substrates.</a> Angewandte Chemie International Edition. 55, 3947-3951 (2016).</li><li>Barankova, E., Tan, X., Villalobos, L. F., Litwiller, E., Peinemann, K. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+metal+chelating+porous+polymeric+support:+the+missing+link+for+a+defect-free+metal-organic+framework+composite+membrane.">A metal chelating porous polymeric support: the missing link for a defect-free metal-organic framework composite membrane.</a> Angewandte Chemie International Edition. 56, 2965-2968 (2017).</li><li>He, G., Dakhchoune, M., Zhao, J., Huang, S., Agrawal, K. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrophoretic+Nuclei+Assembly+for+Crystallization+of+High-Performance+Membranes+on+Unmodified+Supports.">Electrophoretic Nuclei Assembly for Crystallization of High-Performance Membranes on Unmodified Supports.</a> Advanced Functional Materials. , (2018).</li><li>Li, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-area+synthesis+of+high-quality+and+uniform+graphene+films+on+copper+foils.">Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils.</a> Science. 324, 1312-1314 (2009).</li><li>Rodriguez, A. T., Li, X., Wang, J., Steen, W. A., Fan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Facile+synthesis+of+nanostructured+carbon+through+self-assembly+between+block+copolymers+and+carbohydrates.">Facile synthesis of nanostructured carbon through self-assembly between block copolymers and carbohydrates.</a> Advanced Functional Materials. 17, 2710-2716 (2007).</li><li>Huang, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-area+single-layer+graphene+membranes+by+crack-free+transfer+for+gas+mixture+separation.">Large-area single-layer graphene membranes by crack-free transfer for gas mixture separation.</a> Nature Communications. , (2018).</li><li>Agrawal, K. V., Dakachoune, M., Huang, S., He, G., Dudani, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Ultrahigh flux gas-selective nanoporous carbon membrane and manufacturing method thereof. , (2017).</li><li>Liu, J., W&#246;ll, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-supported+metal-organic+framework+thin+films:+fabrication+methods,+applications,+and+challenges.">Surface-supported metal-organic framework thin films: fabrication methods, applications, and challenges.</a> Chemical Society Reviews. 46, 5730-5770 (2017).</li></ol>

La caratteristica più rappresentative del metodo ENACT per quanto riguarda i metodi esistenti15 è che il metodo ENACT consente la sintesi di film MOF altamente aderenti, ultrasottile su una vasta gamma di substrati porosi e non porosi. Qualsiasi pretrattamento del substrato è evitato, rendendo questo metodo piuttosto semplice per la sintesi di film MOF. Anche se attrezzature EPD deve essere utilizzato per la deposizione di un film di nuclei, l'attrezzatura è composta di una fonte di alimentazi...

Sottili membrane di setacciamento molecolare offrono un'alta energia efficienza nella separazione di molecole e possono ridurre il costo complessivo della cattura di CO2 , depurazione delle acque, recupero solventi, combustibili, ecc.1,2. MOF sono una promettente classe di materiale per la sintesi delle membrane di setacciamento molecolare a causa della chimica sintetica isoreticular coinvolti e cristallizzazione relativamente semplice3. Fino ad oggi, MOF membrane è composto da diverse strutture cristalline, tra cui che ZIF-4, -7, -8, -9, -11, -67, -90 e -93 e UiO-66, HKUST-1 e MIL-53 sono stati segnalati4,5. Queste membrane sono sintetizzate da cristallizzare il film MOF policristallini di alta qualità su un supporto poroso. In genere, per ottenere una selettività di separazione ad alta, è necessario ridurre i difetti nel film policristallino MOF (ad esempio fori di spillo e difetti di granulo-confine). Un approccio conveniente per ridurre i difetti è quello di cristallizzare una pellicola spessa. Non sorprendentemente, molti dei precedenti segnalati su MOF membrane sono estremamente spesse (oltre 5 µm). Purtroppo, film spessi portare a un percorso di diffusione per lungo, che limita la permeanza di membrana. Pertanto, mentre la selettività è migliorato, permeanza è sacrificato. Per ovviare a questo compromesso, è imperativo sviluppare metodi per cristallizzare ultrasottile (< 0,5 µm spessore), film MOF privo di difetti.
ZIF-8 è il più studiato intensivamente MOF per la sintesi di membrana, grazie alla sua eccezionale stabilità chimica e termica e un semplice cristallizzazione chimica6,7. Finora, le membrane di ZIF-8 ultrasottile segnalate sono state realizzate modificando la chimica delle superfici o la topologia del sottostante substrato poroso, che favorisce la nucleazione eterogenea di ZIF-8, che è essenziale per un film policristallino aderenti. Per esempio, Chen et al. segnalato la sintesi di 1 film di ZIF-8 µm di spessore (3-amminopropil) per volta trietossisilano TiO2-rivestito poly(vinylidene fluoride) (PVDF) hollow fibre8. Hanno osservato una densità alta nucleazione eterogenea e attribuito alla modifica simultanea della chimica delle superfici e nanostrutture. Il gruppo di Peinemann ha una membrana ultrasottile di ZIF-8 su un metallo-chelante, polythiosemicarbazide (PTSC) supporto9. Questa capacità unica di metallo-chelante di PTSC ha portato all'associazione degli ioni dello zinco, promuovendo la nucleazione eterogenea di ZIF-8 che, successivamente, hanno condotto alle membrane ZIF-8 ad alte prestazioni. In generale, ottimizzazione della chimica del substrato e la nanostruttura facilita la sintesi delle membrane MOF ad alte prestazioni; Tuttavia, questi metodi sono piuttosto complessi e solitamente non possono essere riapplicati per sintetizzare le membrane MOF da altre interessanti strutture MOF.
Qui, segnaliamo la sintesi di ultrasottile, altamente sovrappostisi ZIF-8 pellicole utilizzando un approccio di cristallizzazione semplice e versatile che può essere riapplicato formando una sottile pellicola aderenti di diversi materiali cristallini10. Vi mostriamo esempi di ZIF-8 e ZIF-7 film preparato senza alcun pretrattamento del substrato, che semplifica notevolmente il processo di preparazione. Le pellicole di ZIF-8 sono preparate su una vasta gamma di substrati (ceramica, polimeri, metalli, carbonio e grafene). Il film di ZIF-8 nm di spessore 500 su un supporto di ossido di alluminio anodico (AAO) Visualizza una performance di separazione attraente. Un alta permeanza di2 H 8,3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1 e selettività attraente ideale di 7.3 (H2Co2) 15,5 (H2/n2), 16,2 (H2/CH4) e 2655 (H 2/c3H8) sono raggiunti.
L'approccio di cristallizzazione che consente la suddetta impresa è ENACT. ENACT depositi ZIF-8 nuclei su un substrato direttamente da sol precursore del cristallo. L'approccio utilizza EPD per un brevissimo periodo di tempo (1-4 min) subito dopo il tempo di induzione (il tempo quando i nuclei appaiono in sol precursore). L'applicazione di un campo elettrico dei nuclei di MOF carica li spinge verso un elettrodo con un flusso che è proporzionale alla resistenza del campo elettrico applicato (E), la mobilità elettroforetica del colloide (μ) e la concentrazione di nuclei (Cn) come mostrato nelle equazioni 1 e 2.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq1.jpg"> (Equazione 1)
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq2.jpg"> (Equazione 2)
Qui, v = la velocità di deriva, Ζ = il potenziale zeta dei nuclei, Εo = la permittività del vuoto, Εr = costante dielettrica, e Η = viscosità della sol precursore.
Pertanto, controllando E e il pH della soluzione (che determina ζ), la densità di intasamento dei nuclei può essere controllata. La conseguente crescita dei nuclei densamente imballato in sol precursore permette ai ricercatori di ottenere un film altamente aderenti policristallino.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Zinc nitrate hexahydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>96482-500G</td>
			<td>98% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Methylimidazole</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M50850-500G</td>
			<td>99% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benzimidazole</td>
			<td>TCI</td>
			<td>B0054-500G</td>
			<td>98% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tape</td>
			<td>DuPont</td>
			<td>KPT-1/8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy</td>
			<td>GC Electronics</td>
			<td>19-823</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper foil</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>13380.CV</td>
			<td>99.9% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power source for EPD</td>
			<td>Gamry Instruments</td>
			<td>Interface 1000E Potentiostat</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic cleaner</td>
			<td>MTI corporation</td>
			<td>VGT-1860QTD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AAO</td>
			<td>GE Healthcare Life Sciences&#8206;</td>
			<td>6809-7013</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PAN</td>
			<td>Shandong MegaVision</td>
			<td></td>
			<td>The molecular weight cut-off is 100 kDa</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

electrophoretic crystallization of ultrathin high-performance metal-organic framework membranes

Segnaliamo la sintesi delle membrane struttura metallo-organica (MOF) sottile, altamente aderenti, policristallino su una vasta gamma di supporti porosi e non porosi non modificati (polimeri, ceramica, metallo, carbonio e grafene). Abbiamo sviluppato una tecnica di cristallizzazione del romanzo, che è definita l'approccio ENACT: l'Assemblea di nuclei elettroforetica per la cristallizzazione di film sottili altamente aderenti (ENACT). Questo approccio consente un'alta densità di nucleazione eterogenea di MOF su un substrato selezionate tramite la deposizione elettroforetica (EPD) direttamente dal sol precursore. La crescita dei nuclei MOF ben imballati conduce ad una pellicola MOF policristallino altamente aderenti. Vi mostriamo questo semplice approccio può essere utilizzato per la sintesi di zeolite sottili, aderenti imidazolo framework (ZIF) -7 e film ZIF-8. Le membrane di ZIF-8 nm di spessore 500 risultante Visualizza un notevolmente elevata permeanza di2 H (8,3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1) e gas ideale selettività (7,3 per H2Co2, 15.5 per H2/n2, 16.2 per H2/CH4e 2655 per H2/c3H8). Una performance attraente per C3H6/c3H8 separazione è anche raggiunto (una C3H6 permeanza di 9,9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 e C3H 6/c3H8 ideale selettività di 31,6 a 25 ° C). Nel complesso, il processo ENACT, a causa della sua semplicità, può essere esteso per sintetizzare aderenti pellicole sottili di una vasta gamma di materiali cristallini nanoporosi.

Un set-up EPD fatti in casa è stato utilizzato per sintetizzare le pellicole MOF (Figura 1). Scansione di immagini di microscopia elettronica (SEM) e diffrazione di raggi x (XRD) modelli sono stati raccolti per il film di nuclei di ZIF-8 (Figura 2). SEM è stato utilizzato all'immagine le morfologie di superficie ed a sezione trasversale di supporto AAO, membrana ZIF-8/AAO, supporto della vaschetta, membrana ZIF-8/PAN, film ZIF-...

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Electrophoretic Crystallization of Ultrathin High-performance Metal-organic Framework Membranes

Elettroforetica cristallizzazione delle membrane ultrasottile ad alte prestazioni Metal-organic frameworks

Un approccio semplice, riproducibile e versatile per la sintesi delle membrane di metal-organic frameworks policristallino aderenti, su una vasta gamma di non modificato poroso e supporti non poroso è presentato.

We report the synthesis of thin, highly intergrown, polycrystalline metal-organic framework (MOF) membranes on a wide range of unmodified porous and ...

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